Переключатель елочных гирлянд на базе К155РУ2

Накануне Нового года многих радиолюбителей волнует вопрос: как оживить новогоднюю елку? Желательно чтобы иллюминация была как можно более разнообразной, не надоедала и не утомляла бы зрение. Это означает, что очередность подключения ламп и продолжительность их горения должны изменяться.

На рис. 1 приведена схема переключателя гирлянд отвечающего поставленным условиям.

Сердцем устройства является микросхема

К155РУ2 — оперативное запоминающее устройство и 16 четырехразрядных слов. (Под словом в данном случае понимается совокупность логических нулей а единиц, например ОНО, 1101 и т. д.). Как действует эта микросхема? Ее четыре входа (Dl, D2, D3, D4) предназначены для подачи информации, которую нужна записать в память. Эти входы называются информации онными. На четыре других входа (А1, А2, A3, А4) пода ют двоичный код адреса ячейки, которую требуется выбрать для записи или считывания информации. Эти входы называются адресными. Изменяя двоичный код на этих входах от 0000 до 1111, можно обратиться к любой из 16 ячеек. Подавая сигнал на вход W, выбирают нужный режим работы микросхемы: если на входе W логический 0, то производится запись в ячейку если же на входе W логическая 1, то можно считывать информацию, хранящуюся в ячейках памяти микросхемы. При считывании информация поступает на четыре выхода: С1, С2, СЗ, С4. Микросхема имеет выходы с открытым коллектором, причем, если в ячейке памяти записана логическая 1, то соответствующий транзистор выхода будет открыт (разумеется, в его коллекторную цепь должна быть включена нагрузка — резистор).

Таким образом, для записи числа в какую-либо ячейку памяти необходимо подать на входы Dl—D4 соответствующие логические уровни, а на входы А1 — А4 — двоичный код адреса требуемой ячейки.

Рис. 1, Схема переключателя гирлянд

Затем на вход W кратковременно подают логический 0 — и информация записана. Для считывания информации необходимо подать на вход W логическую 1. Тогда при смене кода адреса на выходах С1 — С4 будут появляться сигналы, соответствующие содержимому нужных ячеек. Подробнее о работе этой микросхемы можно прочитать в [1].

Вход V служит для разрешения работы микросхемы: при подаче на него логической 1 запись и считывание не производятся.

Рассмотрим работу переключателя по его принципиальной схеме (рис. 1).

С помощью кнопок SB6 Пуск и SB7 Сброс устанавливают требуемый режим работы устройства: после нажатия кнопки Сброс можно производить запись программы в ячейки памяти микросхемы, а после нажатия кнопки Пуск происходит считывание записанной программы.

При нажатии на кнопку SB7 Сброс RS-триггеры, собранные на логических элементах DD1.1 и DD1.2, DD1.3 и DD1.4, DD2.1 и DD2.2, DD2.3 и DD2.4, DD4.1 и DD4.2 установятся в исходное состояние, при котором на выходах логических элементов DD1.1, DD1.3, DD2.1, DD2.3 и DD4.1—логический 0. Поступая на вывод 12 логического элемента DD4.4, он запрещает работу тактового генератора, собранного на логических элементах DD4.3, DD4.4 и транзисторе VT1.

Затем с помощью кнопок SB1 — SB4 набирают двоичное слово для записи в первую ячейку памяти. Допустим, нам требуется записать 0111. Для этого нужно нажать кнопки SB2, SB3, SB4. При этом триггеры DD1.3 и DD1.4, DD2.1 и DD2.2, DD2.3 и DD2.4 перебросятся, и зажгутся светодиоды HL2, HL3, HL4. После этого нажимают кнопку SB5 Запись. При этом импульс с выхода триггера (вывод 3 логического элемента DD3.1) через дифференцирующую цепь C2R13 и логический элемент DD3.3 поступает на вход W микросхемы памяти DD6. Дифференцирующая цепь C2R13 и логический элемент DD3.3 работают таким образом, что после нажатия кнопки SB5 Запись на вход W поступает короткий (длительностью несколько наносекунд) отрицательный импульс, который обеспечивает запись информации, поданной на информационные входы Dl — D4 по адресу в соответствии с двоичным кодом на адресных входах А1 —А4. В момент отпускания кнопки SB5 Запись импульс с выхода логического элемента DD3.1 через конденсатор С1 установит в исходное состояние все RS-триггеры, в которых было предварительно записано двоичное слово. Импульс, поступивший с выхода логического элемента DD3.4 на вход С1 двоичного счетчика DD5, увеличит на единицу адрес (двоичный код которого снимается с выводов 12, 9, 8 и 11 этой микросхемы). Заметим, что установки в исходное состояние счетчика адреса DD5 не производятся (выводы 2 и 3 для обеспечения счетного режима соединены с общим проводом).

После этого кнопками SB1 — SB4 набирают новое двоичное слово программы, нажимают кнопку SB5 Запись и т. д.— пока в микросхему памяти не будет записана вся программа из 16 четырехразрядных двоичных слов. После того как программа записана, нажимают кнопку SB6 Пуск, триггер DD4.1 и DD4.2 изменяет свое состояние на противоположное, начинает работать генератор на логических элементах DD4.3, DD4.4, импульсы которого поступают на счетчик DD5 и изменяют код адреса ячейки. На входе W теперь все время находится логическая 1, поскольку на выходе логического элемента DD4.2 — логический 0, который подается на вход логического элемента DD3.3. На выходах С1 — С4 микросхемы К155РУ2 появляются логические уровни, соответствующие записанной в ячейках памяти информации. Сигналы с выходов С1 — С4 усиливаются транзисторными ключами VT2 — VT5 и затем поступают на управляющие электроды тринисторов VS1—VS4. Тринисторы управляют четырьмя гирляндами ламп, условно обозначенными на схеме HL5 — HL8. Допустим, что на выходе С1 микросхемы DD6 имеется логический 0. В этом случае транзистор VT2 закрыт, через резистор R21 и управляющий электрод тринистора VS1 протекает ток, тринистор открывается и зажигает лампы гирлянды HL5. Если же на С1 логическая 1, то лампы HL5 гореть не будут.

Микросхемы устройства питаются от стабилизированного выпрямителя, собранного на диодном мосте VD2 — VD5, стабилитроне VD1 и транзисторе VT6. Лампы гирлянд HL5 — HL8 питаются выпрямленным напряжением, снимаемым с диодного моста VD6 — VD9. Для отключения гирлянд служит выключатель SA2, для отключения от сети остальных элементов устройства служит выключатель SA1.

В устройстве применены следующие детали. Транзисторы VT2 —VT5 могут быть любыми из серий КТ3117, КТ603, КТ608, КТ630, КТ801; VT1 — любой из серий КТ306, КТ312, КТ315, KJ316; VT6 —любой из серий КТ801, KJ807, КТ815. Тринисторы КУ201Л .(VS1 — VS4) можно заменить на КУ202 с буквами К, Л, М, Н. Диоды VD2 —VD5, помимо указанных, могут быть Д310, КД509А, КД510А. Диоды КД202К (VD6 —VD9) можно заменить на КД202 с буквами Л — Р, а также на Д232, Д233, Д246, Д247 с любыми буквами. Конденсаторы C1, C2 —типа КЮ-7, К10-23, КЛС или КМ-6; СЗ—С5— К50-6, К50-36 или К50-20. Все постоянные резисторы — типа МЛТ. Переменный резистор Ш6 — СП-I, СП-0,4. В устройстве можно использовать кнопки типа КМ1-1 или КМД1-1. Можно также использовать кнопки других типов (например, П2К без фиксации положения). Выключатели SA1 и SA2 — типа тумблер (ТВ2-1, ТП1-2, Tl, MT1 и др.). Трансформатор питания Т1 выполнен на ленточном магнитопроводе ШЛ16X20. Обмотка I содержит 2440 витков провода ПЭВ-1 0,08, обмотка II —90 витков провода ПЭВ-1 0,51. Можно использовать и любые другие трансформаторы мощностью 10...20 Вт, имеющие вторичную обмотку на напряжение 8... 10 В и ток 0,5...0,7 А. Подойдут трансформаторы ТВК-70Л2, ТВК-ПОЛМ, у которых часть витков вторичной обмотки должна быть удалена для получения нужного напряжения.

Большая часть элементов устройства смонтирована на текстолитовой плате с размерами 120X150 мм. Монтаж выполнен проводами. Транзистор VT6 установлен на дюралюминиевом уголке площадью около 30 см2 (он служит радиатором). Диоды VD6 — VD9 и тринисторы VS1—VS4 установлены на плате без радиаторов, при этом суммарная мощность переключаемых ламп не должна превышать 500 Вт.

За пределами платы находятся следующие элементы: трансформатор питания Т1, держатель предохранителя FU1, выключатели питания SA1 и SA2, переменный резистор R16. Элементы платы соединены с ними многожильным проводом. Провода, соединяющие аноды тринисторов VS1—VS4 с лампами HL5 — HL8, припаяны непосредственно к лепесткам тринисторов.

Сечение проводов, которыми выполнены силовые цепи, должно быть не менее 1 мм2.

Конструкция устройства произвольная. На верхней крышке корпуса должны быть расположены кнопки SB1 — SB7, выключатели питания SA1 и SA2, светодиоды контроля записи программы HL1 — HL4, а также ручка переменного резистора R16, с помощью которого изменяют скорость переключения гирлянд. На боковой стенке корпуса установлены держатель предохранителя FU1 и гнезда для подключения гирлянд (на схеме они не показаны).

Рис. 2, Схема включения ламп

Если все детали исправны и в монтаже нет ошибок, то устройство начинает работать сразу. Следует отметить, что достигаемые световые эффекты во многом зависят от взаимного расположения ламп гирлянд. Весьма распространенным является такое их расположение, когда за лампой первой гирлянды следует лампа второй гирлянды, затем третьей, четвертой и т. д. На рис. 2 показана схема такого включения ламп.

Программирование переключателя ведут следующим образом. Вначале на бумаге составляют программу, представляющую собой запись состояния всех четырех гирлянд в каждом из 16 тактов работы устройства. Включенное состояние гирлянды обозначают логической 1, выключенное — логическим 0. Затем нажатием кнопки SB7 Сброс устанавливают микросхемы устройства в исходное состояние. После этого последовательным нажатием кнопок SB1 — SB4 набирают первое слово программы, обращая внимание на зажигание светодиодов HL1 — HL4. Затем нажимают кнопку SB5 Запись. Так производят запись информации во все 16 ячеек микросхемы. Затем нажимают кнопку SB6 Пуск — переключатель переходит в рабочий режим.

При программировании следует помнить, что информация должна быть записана во все 16 ячеек памяти микросхемы, поскольку при включении питания состояние этих ячеек оказывается неопределенным.

В приведенной табл. 1 показаны некоторые варианты программирования переключателя гирлянд для получения разнообразных световых эффектов. Логические 1 в каждом слове слева направо показывают, какие из кнопок SB1 — SB4 соответственно следует нажать.

Первая и вторая программы обеспечивают эффект бегущего огня, остальные программы — более сложные эффекты. Число программ, которые можно реализовать с помощью данного устройства, велико, и это открывает простор для фантазии оператора. Следует также помнить, что изменение скорости переключения гирлянд открывает широкие возможности для получения различных световых эффектов.

Суммарная мощность ламп, переключаемых устройством, может быть увеличена до 1500 Вт, при этом диоды VD6 — VD9 должны быть установлены на радиаторы площадью 40...50 см2 каждый.

Если в распоряжении радиолюбителя имеются симметричные тиристоры (симисторы) серии КУ208Г, их также можно использовать для управления лампами гирлянд. Подключать симисторы следует в соответствии со схемой, представленной на рис. 3 (изображена схема только одного канала, остальные — аналогичные). Сопротивления резисторов R21 — R24 (см. рис. 1) в этом случае необходимо увеличить до 1 . . . 3 кОм. Транзисторы КТ605А можно заменить на КТ605Б, КТ940А; диодные мосты VD6 могут быть КЦ402, КЦ405 с буквами А, Б, Ж.

Второй вариант симисторного узла коммутации представлен на рис. 4. Его отличие от предыдущего в том, что транзисторные ключи VT2 — VT5 с резисторами R21— R24 (см. рис. 1) заменены инвертирующими логическими элементами микросхемы DD7 (резисторы R17 — R20 в схеме рис. I при этом сохраняются). Такое схемное решение несколько упрощает конструкцию.

Рис.3. Коммутация ламп симистором

Рис.4. Второй вариант коммутации ламп симистором

Рис.5. Схема коммутации ламп с применением реле и симистора

Рис.6. Схема аварийного питания микросхем от батареи

Узел управления симисторами можно сделать еще более простым, если использовать электромагнитные реле (рис. 5). Обмотки реле, как видно из схемы, включены вместо резисторов R21 — R24. В переключателе могут работать любые реле, срабатывающие от напряжения 8... 12 В при токе до 100 мА, например РЭС10 (паспорта РС4.524.303, РС4.524.312), РЭС15 (паспорта РС4.591.003, РС4. 591.004, РС4.591.006), РЭС47 (паспорта РФ4. 500.409, РФ4.500.419), РЭС49 (паспорт РС4.569. 424). Помимо простоты, это схемное решение имеет еще преимущество — обеспечивается гальваническая развязка низковольтной части устройства от питающей сети, что увеличивает безопасность пользования переключателем. Недостатком же является меньший срок службы, вызванный износом контактов реле.

И в заключение — еще одна рекомендация. При выключении напряжения питающей сети (даже кратковременном — несколько секунд) разрушается программа, записанная в микросхему памяти. Поэтому целесообразно предусмотреть аварийное переключение питающих цепей микросхем устройства на питание от гальванической батареи или аккумулятора. Схема, позволяющая реализовать это, показана на рис. 6.

В нормальном режиме микросхемы переключателя питаются от выпрямителя, и ток протекает через диод VD11. Диод VD10 при этом закрыт, поскольку к нему приложено небольшое (0,5... 1 В) обратное напряжение. При отключении питающей сети закрывается диод VD11, но открывается диод VD10, и микросхемы запитываются от батареи GB1. Конденсатор С6 гасит импульсы напряжения, которые возникают в моменты переключения питания с сетевого на батарейное и наоборот, и таким образом повышает помехоустойчивость устройства. Диоды VD10, VD11 могут быть любого типа, допускающие ток не менее 300 мА (например, подойдут Д226, КД105 с любыми буквами). Батарея GB1 —3336Л. При использовании в переключателе этого узла следует обратить внимание на выходное напряжение выпрямителя: оно должно составлять 5...5,5 В (но не менее 5 В), в противном случае может происходить постоянная разрядка батареи GB1. Продолжительность питания от батареи зависит от ее емкости. При длительных пропаданиях напряжения в сети (более 15...20 мин) такое аварийное питание нецелесообразно, поскольку лампы гирлянд все равно не работают, а новую программу можно набрать всего лишь за 3... 5 мин.